BR112018006225B1 - ALLOY STEEL AND TEMPERED AND HARDENED STEEL ARTICLE - Google Patents
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Abstract
divulga-se uma liga de aço que provê uma combinação única de resistência, tenacidade e duração da fadiga. a liga de aço tem a seguinte composição, em porcentagem em peso: de cerca de 0,15 a cerca de 0,30 de c, de cerca de 1,7 a cerca de 2,3 de mn, de cerca de 0,7 a cerca de 1,1 de si, de cerca de 1,85 a cerca de 2,35 de cr, de cerca de 0,5 a cerca de 0,9 de ni, de cerca de 0,1 a cerca de 0,3 de mo+1/2w, de cerca de 0,3 a cerca de 0,7 de cu, de cerca de 0,2 a cerca de 0,5 de v+5/9xnb. o balanço da liga é ferro, impurezas usuais, e quantidades residuais de outros elementos adicionados durante fusão para desoxidação e/ou dessulfuração da liga. divulga-se também um artigo de aço temperado e endurecido feito a partir da liga.an alloy steel is disclosed that provides a unique combination of strength, toughness and fatigue life. the steel alloy has the following composition, in percent by weight: from about 0.15 to about 0.30 c, from about 1.7 to about 2.3 nm, from about 0.7 to about 1.1 µm, from about 1.85 to about 2.35 µm, from about 0.5 to about 0.9 µm, from about 0.1 to about 0. 3 mo+1/2w, from about 0.3 to about 0.7 cu, from about 0.2 to about 0.5 v+5/9xnb. the alloy balance is iron, usual impurities, and residual amounts of other elements added during melting to deoxidize and/or desulfurize the alloy. a hardened and quenched steel article made from the alloy is also disclosed.
Description
[0001] De maneira geral, esta invenção refere-se a uma liga de aço que provê uma combinação única de resistência, tenacidade e duração da fadiga. Mais particularmente, a invenção refere-se a um artigo útil feito de aço bem como a um método para fabricar o artigo.[0001] In general, this invention refers to a steel alloy that provides a unique combination of strength, toughness and fatigue duration. More particularly, the invention relates to a useful article made of steel as well as a method for making the article.
[0002] A perfuração direcional de poços de petróleo requer, frequentemente, o uso de motores de lama. Um motor de lama (ou motor de perfuração) é uma bomba de deslocamento direto de cavidade progressiva (PCPD) colocada na coluna de perfuração para prover energia adicional para a broca durante a perfuração. A bomba PCPD usa fluido de perfuração (referido comumente como lama de perfuração ou apenas lama) para criar movimento excêntrico na seção de energia do motor que é transferido como energia concêntrica para a broca de perfuração por meio do eixo de motor de lama e uma junta de velocidade constante. Quando a broca de perfuração encontra depósitos de durezas e resistências variáveis durante a operação de perfuração, a transferência do movimento excêntrico como energia concêntrica através do eixo requer um material de eixo forte que tenha elevada tenacidade de impacto bem como boa vida de fadiga por flexão rotativa. O material de escolha atual é a liga 4330V que é conhecida por prover limite convencional de elasticidade (Y.S.) de cerca de 1.034 MPa (150 ksi) e uma energia de impacto de entalhe em forma de V para ensaio de Charpy (CVN IE) de cerca de 54,2 J (40 pé-libra) em temperatura ambiente.[0002] Directional drilling of oil wells often requires the use of mud engines. A mud motor (or drill motor) is a progressive cavity direct displacement pump (PCPD) placed in the drill string to provide additional power to the bit during drilling. The PCPD pump uses drilling fluid (commonly referred to as drilling mud or just mud) to create eccentric motion in the power section of the motor that is transferred as concentric energy to the drill bit via the mud motor shaft and a joint of constant speed. When the drill bit encounters deposits of varying hardness and strength during the drilling operation, transferring the eccentric motion as concentric energy across the shaft requires a strong shaft material that has high impact toughness as well as good rotational bending fatigue life . The current material of choice is the 4330V alloy which is known to provide a conventional yield strength (YS) of about 1,034 MPa (150 ksi) and a V-shaped notch impact energy for Charpy testing (CVN IE) of about 54.2 J (40 foot-pound) at room temperature.
[0003] Até recentemente o material de eixo 4330V foi aceitável. Agora, com a perfuração de poços mais profundos em diferentes depósitos, como o xisto, surgiu a necessidade de um material de eixo mais forte, com tenacidade melhor que a fornecida pela liga 4330V.[0003] Until recently the 4330V shaft material was acceptable. Now, with the drilling of deeper wells in different deposits, such as shale, the need has arisen for a stronger shaft material, with better tenacity than that provided by the 4330V alloy.
[0004] A necessidade descrita acima é concretizada em grande parte por uma liga de acordo com a presente invenção. De acordo com um aspecto da presente invenção, provê-se uma liga de aço de alta resistência, alta tenacidade de impacto que têm as seguintes composições porcentuais em peso amplas e preferidas. [0004] The need described above is largely fulfilled by an alloy according to the present invention. According to one aspect of the present invention, there is provided a high strength, high impact toughness alloy steel having the following preferred broad weight percent compositions.
[0005] Inclui-se no balanço as impurezas usuais encontradas em graus comerciais de ligas de aço produzidas para uso semelhante e pequenas quantidades de outros elementos retidos de adições de desoxidação e dessulfuração durante fusão.[0005] Included in the balance are the usual impurities found in commercial grades of alloy steels produced for similar use and small amounts of other elements retained from deoxidation and desulfurization additions during melting.
[0006] Provê-se a tabela anterior como um sumário conveniente e não se destina a restringir os valores inferiores e superiores das faixas dos elementos individuais para uso em combinação uns com os outros, ou restringir as faixas dos elementos para uso somente em combinação com cada um de outros. Assim, uma ou mais das faixas podem ser usadas com uma ou mais das outras faixas dos elementos restantes. Além disso, pode- se usar um mínimo ou máximo para um elemento de uma composição ampla ou preferida com o mínimo ou máximo para o mesmo elemento em outra composição preferida ou intermediária. Aqui e ao longo deste relatório descritivo, o termo “por cento” ou o símbolo “ %” significa porcentagem em peso ou porcentagem em massa, a menos que especificado de outra forma.[0006] The above table is provided as a convenient summary and is not intended to restrict the lower and upper values of the ranges of the individual elements for use in combination with each other, or restrict the ranges of the elements for use only in combination with each of the others. Thus, one or more of the bands can be used with one or more of the other bands of the remaining elements. In addition, a minimum or maximum for one element of a broad or preferred composition may be used with the minimum or maximum for the same element in another preferred or intermediate composition. Here and throughout this report, the term “percent” or the symbol “%” means percent by weight or percent by mass, unless otherwise specified.
[0007] A liga de acordo com a presente invenção provê um Y.S. em temperatura ambiente de pelo menos cerca de 1241 MPa (180 ksi) em combinação com uma CVN IE de cerca de pelo menos cerca de 33,9 J (25 pé-libra). A liga também é capaz de prover uma CVN IE em temperatura ambiente de até cerca de 81,3 J (60 pé- libra) que representa um aumente de 20 % em Y.S. e de 50 % em CVN IE quando se compara com a liga 4330V. A liga desta invenção provê também uma duração de fadiga muito boa representada por tensão de deslocamento axial por flexão rotativa de 620,5 MPa (90 ksi) em 10 milhões de ciclos.[0007] The alloy according to the present invention provides a Y.S. at room temperature of at least about 1241 MPa (180 ksi) in combination with a CVN IE of about at least about 33.9 J (25 foot-pound). The alloy is also capable of providing a CVN IE at room temperature of up to about 81.3 J (60 ft-lb) which represents a 20% increase in Y.S. and 50% in CVN IE when compared to the 4330V alloy. The alloy of this invention also provides a very good fatigue life represented by a rotational bending axial displacement stress of 620.5 MPa (90 ksi) in 10 million cycles.
[0008] De acordo com outro aspecto da presente invenção, provê-se um artigo de liga de aço revenida e endurecida que tem uma nova combinação de Y.S., CVN IE e duração de fadiga. Numa incorporação preferida, o artigo compreende uma unidade de transmissão para um motor de lama. A unidade de transmissão inclui um eixo e uma junta de velocidade constante. O artigo é formado a partir de uma liga tendo qualquer uma das composições porcentuais em peso amplas, intermediárias ou preferidas mostradas acima. O artigo de acordo com este aspecto da invenção caracteriza-se ainda por ser endurecido e depois temperado numa temperatura de 204,4°C (400°F) a 315,6°C (600°F). Alternativamente, o artigo pode ser austemperado para prover outras combinações de Y.S. e CVN IE para aplicações que não requeiram um limite convencional de elasticidade de pelo menos 1241 MPa (180 ksi).[0008] According to another aspect of the present invention, there is provided a quenched and hardened steel alloy article which has a novel combination of Y.S., CVN IE and fatigue life. In a preferred embodiment, the article comprises a transmission unit for a slurry engine. The drive unit includes a constant speed shaft and joint. The article is formed from an alloy having any of the broad, intermediate or preferred weight percentage compositions shown above. The article according to this aspect of the invention is further characterized in that it is hardened and then tempered at a temperature of 204.4°C (400°F) to 315.6°C (600°F). Alternatively, the article can be austempered to provide other Y.S. and CVN IE for applications that do not require a conventional yield strength of at least 1241 MPa (180 ksi).
[0009] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção provê-se um método para fabricar uma unidade de transmissão para um motor de lama de perfuração de deslocamento positivo.[0009] According to a further aspect of the present invention there is provided a method for manufacturing a drive unit for a positive displacement drilling mud engine.
[0010] A descrição detalhada seguinte será melhor compreendida quando lida juntamente com as figuras, nas quais:[0010] The following detailed description will be better understood when read together with the figures, in which:
[0011] A Figura 1 é um esquema de motor de lama e broca de perfuração usados num trem de varas de perfuração subterrânea (derivado de Graber, K.K., Pollard, E., Jonasson, B., e Schulte, E. (Eds.), 2002. Overview of Ocean Drilling Program Engineering Tools and Hardware. ODP Tech. Nota 31. Doi:10.2973/odp.tn.31.2002).[0011] Figure 1 is a schematic of a mud engine and drill bit used in an underground drill rod train (derived from Graber, KK, Pollard, E., Jonasson, B., and Schulte, E. (Eds. ), 2002. Overview of Ocean Drilling Program Engineering Tools and Hardware. ODP Tech. Note 31. Doi:10.2973/odp.tn.31.2002).
[0012] A Figura 2 é um gráfico de energia de impacto de entalhe em forma de V para ensaio de Charpy como uma função de temperatura de teste para os dados apresentados na Tabela IV.[0012] Figure 2 is a graph of V-shaped notch impact energy for Charpy testing as a function of test temperature for the data presented in Table IV.
[0013] A Figura 3 é um gráfico S-N de tensão aplicada como uma função do número de ciclos para fratura para os dados de fadiga por flexão rotativa de R.R. Moore apresentados na Tabela V.[0013] Figure 3 is an S-N plot of applied stress as a function of the number of cycles to fracture for the R.R. Moore rotational bending fatigue data presented in Table V.
[0014] A liga de acordo com a presente invenção contém pelo menos cerca de 0,15 %, melhor ainda pelo menos 0,18 %, e preferivelmente pelo menos cerca de 0,21 % de carbono. O carbono contribui para a capacidade de resistência e dureza provida pela liga. O carbono é também benéfico para a resistência de temperado desta liga. Muito carbono afeta adversamente a tenacidade provida pela liga. Portanto, o carbono restringe-se a não mais que cerca de 0,30 % e, melhor ainda, a não mais que cerca de 0,27 %. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,24 % de carbono para tenacidade satisfatória em níveis maiores de resistência e dureza.The alloy according to the present invention contains at least about 0.15%, better still at least 0.18%, and preferably at least about 0.21% carbon. Carbon contributes to the strength and hardness provided by the alloy. Carbon is also beneficial to the quench strength of this alloy. Too much carbon adversely affects the toughness provided by the alloy. Therefore, carbon is restricted to no more than about 0.30% and, even better, to no more than about 0.27%. Preferably, the alloy contains no more than about 0.24% carbon for satisfactory toughness at higher strength and hardness levels.
[0015] Pelo menos cerca de 1,7 %, melhor ainda pelo menos cerca de 1,8 %, e preferivelmente pelo menos cerca de 1,95 % de manganês está presente nesta liga principalmente para desoxidar a liga. Verificou-se que o manganês também beneficia a alta resistência e tenacidade providas pela liga. Se muito manganês estiver presente, então poderá resultar uma quantidade indesejável de austenita durante endurecimento e resfriamento brusco tal que afetará adversamente a elevada resistência sofrida pela liga. Portanto, a liga pode conter até cerca de 2,3 % ou 2,2 % de manganês. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 2,05 % de manganês.At least about 1.7%, better still at least about 1.8%, and preferably at least about 1.95% manganese is present in this alloy primarily to deoxidize the alloy. It was found that manganese also benefits from the high strength and toughness provided by the alloy. If too much manganese is present, then an undesirable amount of austenite can result during hardening and sudden cooling such that it will adversely affect the high strength suffered by the alloy. Therefore, the alloy can contain up to about 2.3% or 2.2% manganese. Preferably, the alloy contains no more than about 2.05% manganese.
[0016] O silício beneficia a capacidade de endurecimento e a resistência de temperado desta liga. Portanto, a liga contém pelo menos cerca de 0,7 % de silício, melhor ainda pelo menos cerca de 0,8 % de silício, e preferivelmente, pelo menos cerca de 0,85 % de silício. Muito silício afeta adversamente a dureza, resistência e ductilidade da liga. A fim de evitar tais efeitos adversos o silício restringe-se a não mais que cerca de 1,1 %, melhor ainda a não mais que cerca de 1,0 %, e preferivelmente, a não mais que cerca de 0,895 % nesta liga.[0016] Silicon benefits from the hardenability and temper resistance of this alloy. Therefore, the alloy contains at least about 0.7% silicon, better still at least about 0.8% silicon, and preferably, at least about 0.85% silicon. Too much silicon adversely affects the hardness, strength and ductility of the alloy. In order to avoid such adverse effects, silicon is restricted to no more than about 1.1%, better still no more than about 1.0%, and preferably, no more than about 0.895% in this alloy.
[0017] A liga de acordo com esta invenção contém pelo menos cerca de 1,85 % de cromo porque o cromo contribui para a boa temperabilidade, elevada resistência e resistência de temperado providas pela liga. Preferivelmente, a liga contém pelo menos cerca de 1,95 % e melhor ainda pelo menos cerca de 2,05 % de cromo. Mais que cerca de 2,35 % de cromo na liga afeta adversamente a tenacidade de impacto e ductilidade providas pela liga. Preferivelmente, o cromo restringe-se a não mais que cerca de 2,25 % e para melhores resultados, a não mais que cerca de 2,15 % nesta liga.[0017] The alloy according to this invention contains at least about 1.85% chromium because chromium contributes to the good hardenability, high strength and temper resistance provided by the alloy. Preferably, the alloy contains at least about 1.95% and even better at least about 2.05% chromium. More than about 2.35% chromium in the alloy adversely affects the impact toughness and ductility provided by the alloy. Preferably, chromium is restricted to no more than about 2.25% and for best results to no more than about 2.15% in this alloy.
[0018] De acordo com esta invenção, o níquel é benéfico para a boa tenacidade provida pela liga. Portanto, a liga contém pelo menos cerca de 0,5 % de níquel, e melhor ainda, pelo menos cerca de 0,6 % de níquel. Preferivelmente, a liga contém pelo menos cerca de 0,65 % de níquel. A vantagem provida por quantidades maiores de níquel afeta adversamente o custo da liga sem prover uma vantagem significativa. A fim de limitar o custo superior da liga, a liga não contém mais que cerca de 0,9 %, melhor ainda, não mais que cerca de 0,8 %, e preferivelmente não mais que cerca de 0,75 % de níquel.[0018] According to this invention, nickel is beneficial to the good toughness provided by the alloy. Therefore, the alloy contains at least about 0.5% nickel, and better still, at least about 0.6% nickel. Preferably, the alloy contains at least about 0.65% nickel. The advantage provided by larger amounts of nickel adversely affects the cost of the alloy without providing a significant advantage. In order to limit the higher cost of the alloy, the alloy contains no more than about 0.9%, better still, no more than about 0.8%, and preferably no more than about 0.75% nickel.
[0019] O molibdênio é um formador de carbeto que é benéfico para a resistência de temperado provida por esta liga. A presença de molibdênio aumenta a temperatura de temperado da liga tal que se atinge um efeito de endurecimento secundário quando a liga é revenida de cerca de 232,2°C (450°F) a 315,6°C (600°F). O molibdênio contribui também para a resistência e tenacidade de impacto providas pela liga. Os benefícios providos pelo molibdênio ocorrem quando aliga contém pelo menos cerca de 0,1 % de molibdênio, melhor ainda, pelo menos cerca de 0,15 %, e preferivelmente, pelo menos cerca de 0,18 % de molibdênio. Assim como o níquel, o molibdênio não provê uma vantagem crescente em propriedades em relação ao custo adicional significativo de quantidades maiores de molibdênio. Por essa razão, a liga não contém mais que cerca de 0,3 % de molibdênio, melhor ainda, não mais que cerca de 0,25 % de molibdênio, e preferivelmente, não mais que cerca de 0,22 % de molibdênio. O tungstênio pode ser substituído por algum ou todo o molibdênio nesta liga. Quando presente, o tungstênio é substituído por molibdênio numa base de 2:1.[0019] Molybdenum is a carbide builder that is beneficial to the quench strength provided by this alloy. The presence of molybdenum increases the alloy's temper temperature such that a secondary hardening effect is achieved when the alloy is tempered from about 232.2°C (450°F) to 315.6°C (600°F). Molybdenum also contributes to the strength and impact toughness provided by the alloy. The benefits provided by molybdenum occur when the alloy contains at least about 0.1% molybdenum, better still at least about 0.15%, and preferably at least about 0.18% molybdenum. Like nickel, molybdenum does not provide an increasing advantage in properties over the significant additional cost of larger amounts of molybdenum. For this reason, the alloy contains no more than about 0.3% molybdenum, better yet, no more than about 0.25% molybdenum, and preferably no more than about 0.22% molybdenum. Tungsten can be substituted for some or all of the molybdenum in this alloy. When present, tungsten is replaced by molybdenum on a 2:1 basis.
[0020] Esta liga contém pelo menos 0,30 % de cobre que contribui para a endurecibilidade e tenacidade de impacto da liga. A liga pode conter pelo menos cerca de 0,4 % de cobre e, preferivelmente, contém pelo menos cerca de 0,45 % de cobre. Muito cobre pode resultar em precipitação de uma quantidade indesejável de cobre livre na matriz de liga que pode afetar adversamente a tenacidade da liga. Portanto, não mais que cerca de 0,7 %, melhor ainda, não mais que cerca de 0,6 %, e preferivelmente, não mais que 0,55 % de cobre está presente nesta liga.[0020] This alloy contains at least 0.30% copper which contributes to the hardenability and impact toughness of the alloy. The alloy can contain at least about 0.4% copper and preferably contains at least about 0.45% copper. Too much copper can result in precipitation of an undesirable amount of free copper in the alloy matrix which can adversely affect the toughness of the alloy. Therefore, no more than about 0.7%, better yet, no more than about 0.6%, and preferably, no more than 0.55% of copper is present in this alloy.
[0021] O vanádio contribui para a elevada resistência e boa endurecibilidade providas por esta liga. O vanádio também é um formador de carbeto e promove a formação de carbetos que ajudam a prover refinação de grãos na liga. Os carbetos de vanádio beneficiam também a resistência de temperado e a capacidade de endurecimento secundário da liga. Por essas razões, a liga contém, preferivelmente, pelo menos cerca de 0,20 % de vanádio. A liga pode conter pelo menos cerca de 0,25 % de vanádio e, preferivelmente, contém pelo menos cerca de 0,30 % de vanádio. Muito vanádio afeta adversamente a resistência da liga por causa da formação de quantidades maiores de carbetos na liga o que esgota o carbono do material de matriz de liga. Portanto, a liga não pode conter mais que cerca de 0,5 % de vanádio e melhor ainda, não mais que cerca de 0,45 % de vanádio. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,40 % de vanádio. O nióbio pode ser substituído por algum ou todo o vanádio nesta liga porque como o vanádio, o nióbio combina-se com carbono para formar carbetos M4C3 que beneficiam a resistência de temperado e endurecibilidade da liga. Quando presente, substitui-se o nióbio por vanádio numa base de 1,8:1.[0021] Vanadium contributes to the high strength and good hardenability provided by this alloy. Vanadium is also a carbide builder and promotes the formation of carbides that help provide grain refinement in the alloy. Vanadium carbides also benefit from the quench strength and secondary hardenability of the alloy. For these reasons, the alloy preferably contains at least about 0.20% vanadium. The alloy can contain at least about 0.25% vanadium and preferably contains at least about 0.30% vanadium. Too much vanadium adversely affects the strength of the alloy because of the formation of larger amounts of carbides in the alloy which depletes the carbon from the alloy matrix material. Therefore, the alloy cannot contain more than about 0.5% vanadium and better still, not more than about 0.45% vanadium. Preferably, the alloy contains no more than about 0.40% vanadium. Niobium can be substituted for some or all of the vanadium in this alloy because like vanadium, niobium combines with carbon to form M4C3 carbides that benefit the hardenability and temper strength of the alloy. When present, niobium is replaced with vanadium on a 1.8:1 basis.
[0022] Esta liga pode conter também uma quantidade residual de cálcio, até cerca de 0,05 %, que é retida de adições durante fusão da liga para ajudar a remover enxofre e assim beneficiar a tenacidade de impacto provida pela liga. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,02 % ou 0,01 % de cálcio, e pode conter uma quantidade tão pequena quanto 0,005 % de cálcio.This alloy may also contain a residual amount of calcium, up to about 0.05%, which is retained from additions during alloy melting to help remove sulfur and thus benefit from the impact toughness provided by the alloy. Preferably, the alloy contains no more than about 0.02% or 0.01% calcium, and can contain as little as 0.005% calcium.
[0023] Uma pequena quantidade de titânio pode estar presente num nível residual de até cerca de 0,05 % de adições de desoxidação durante fusão. Entretanto, a liga não contém, preferivelmente, mais que cerca de 0,025 % ou mais que cerca de 0,01 % de titânio. Até cerca de 0,05 % de alumínio também pode estar presenta na liga para adições de desoxidação durante fusão. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,025 % ou mais que cerca de 0,015 % de alumínio.[0023] A small amount of titanium may be present at a residual level of up to about 0.05% of deoxidation additions during melting. However, the alloy preferably does not contain more than about 0.025% or more than about 0.01% titanium. Up to about 0.05% aluminum can also be present in the alloy for deoxidation additions during melting. Preferably, the alloy contains no more than about 0.025% or more than about 0.015% aluminum.
[0024] O balanço desta liga é essencialmente ferro e as impurezas usuais encontradas em graus comerciais de aços e ligas semelhantes. A respeito disso, a liga pode conter até cerva de 0,025 % de fósforo. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,01 %, e melhor ainda, mais que cerca de 0,005 % de fósforo. Até cerca de 0,025 % de enxofre também pode estar presente na liga. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,001 %, e melhor ainda, mais que cerca de 0,0005 % de enxofre. Considera-se também o cobalto como uma impureza nesta liga. Entretanto, a liga pode conter até cerca de 0,25 % de cobalto. Preferivelmente, a liga não contém mais que cerca de 0,05 % ou mais que cerca de 0,02 ou 0,01 % de cobalto.[0024] The balance of this alloy is essentially iron and the usual impurities found in commercial grades of steels and similar alloys. In this regard, the alloy may contain up to 0.025% phosphorus barb. Preferably, the alloy contains no more than about 0.01%, and even better, more than about 0.005% phosphorus. Up to about 0.025% sulfur can also be present in the alloy. Preferably, the alloy contains no more than about 0.001%, and even better, more than about 0.0005% sulfur. Cobalt is also considered an impurity in this alloy. However, the alloy can contain up to about 0.25% cobalt. Preferably, the alloy contains no more than about 0.05% or more than about 0.02 or 0.01% cobalt.
[0025] A liga de acordo com a presente invenção é balanceada para prover limite convencional de elasticidade e tenacidade de impacto elevados na condição endurecida e revenida. A respeito disso, a composição preferida é balanceada para prover um limite convencional de elasticidade de pelo menos cerca de 1241 MPa (180 ksi) em combinação com boa tenacidade indicada por uma energia de impacto de entalhe em forma de V para ensaio de Charpy de pelo menos cerca de 33,9 J (25 pé-libra) e menor ou igual a 81,3 J (60 pé-libra) em temperatura ambiente.[0025] The alloy according to the present invention is balanced to provide conventional high yield strength and impact toughness in the hardened and tempered condition. In this regard, the preferred composition is balanced to provide a conventional yield point of at least about 1241 MPa (180 ksi) in combination with good toughness indicated by a V-shaped notch impact energy for fur Charpy testing. minus about 33.9 J (25 ft-lb) and less than or equal to 81.3 J (60 ft-lb) at room temperature.
[0026] Fusão primária e fundição da liga são executadas preferivelmente com fusão por indução a vácuo (VIM). Quando desejado, como em aplicações críticas, a liga pode ser refinada usando refusão por arco a vácuo (VAR). Se desejado, a fusão primária também pode ser executada por fusão por arco em ar (ARC) ou num alto-forno de oxigênio básico (BOF). Após fusão, a liga pode ser refinada por refusão de eletroescória (ESR) ou por VAR. Além disso, a liga pode ser produzida usando técnicas de metalurgia de pós.[0026] Primary melting and alloy casting are preferably performed with vacuum induction melting (VIM). When desired, such as in critical applications, the alloy can be refined using Vacuum Arc Remelting (VAR). If desired, primary fusion can also be performed by arc fusion in air (ARC) or in a basic oxygen blast furnace (BOF). After melting, the alloy can be refined by electroslag remelting (ESR) or by VAR. Furthermore, the alloy can be produced using powder metallurgy techniques.
[0027] A liga desta invenção é, preferivelmente, trabalhada a quente a partir de uma temperatura de até cerca de 1149°C (2100°F) e preferivelmente de cerca de 982,2°C (1800°F) para formar uma forma de produto intermediária, em particular, formas alongadas tais como tarugos e barras. A liga pode ser tratada termicamente por austenização em cerca de 862,8°C (1585°F) a cerca de 946,1°C (1735°F), preferivelmente a cerca de 890°C (1635°F) a 904°C (1660°F), por cerca de 1-2 horas. Depois, a liga é resfriada em ar ou resfriada rapidamente em óleo a partir da temperatura de austenização. Quando desejado, a liga pode ser tratada termicamente a vácuo ou resfriada rapidamente em gás. Preferivelmente, a liga é revenida a cerca de 232,2°C (450°F) a 287,8°C (550°F) por cerca de 2-3 horas e depois resfriada em ar. A liga pode ser revenida em até cerca de 315,6°C (600°F) quando se pode aceitar resistência menor.The alloy of this invention is preferably hot worked from a temperature of up to about 1149°C (2100°F) and preferably from about 982.2°C (1800°F) to form a shape. of intermediate product, in particular, elongated shapes such as billets and bars. The alloy may be heat treated by austenizing at about 862.8°C (1585°F) to about 946.1°C (1735°F), preferably at about 890°C (1635°F) to 904° C (1660°F), for about 1-2 hours. Then, the alloy is cooled in air or rapidly cooled in oil from the austenizing temperature. When desired, the alloy can be vacuum heat-treated or rapidly cooled in gas. Preferably, the alloy is tempered at about 232.2°C (450°F) to 287.8°C (550°F) for about 2-3 hours and then air cooled. The alloy can be tempered to about 315.6°C (600°F) when lower strength can be accepted.
[0028] A liga da presente invenção é útil numa ampla faixa de aplicações principalmente em eixos de transmissão e juntas de velocidade constante usados em motores de lama para cadeias de perfuração subterrânea. A Figura 1 mostra uma incorporação de um dispositivo de motor de lama 10. O dispositivo de motor de lama 10 inclui uma seção de bomba PCPD 12. A seção de bomba PCPD inclui um rotor 14 disposto para rotação dentro de um estator 16 de maneira conhecida. Uma seção de transmissão de energia 18 está conectada ao lado da broca do rotor de bomba PCPD. A seção de transmissão de energia inclui um eixo motor 20 que está conectado a uma extremidade da bomba PCPD e na outra extremidade da broca 22. Uma montagem de mancais 24 pode ser interposta em torno do eixo motor 20. O eixo motor 20 está conectado ao rotor de bomba PCPD 14 à broca 22 com juntas de velocidade constante de maneira conhecida. O eixo motor 20 e as juntas de velocidade constante são submetidos a tensões significativas quando a broca encontra depósitos muito duros no terreno de perfuração. A fim de suportar tais tensões e resistir à deformação, o eixo motor e as juntas de velocidade constante são fabricados com a liga de aço descrita acima.[0028] The alloy of the present invention is useful in a wide range of applications mainly in transmission shafts and constant speed joints used in mud engines for underground drilling chains. Figure 1 shows an embodiment of a
[0029] O eixo propulsor (ou eixo motor) do motor de lama de acordo com a presente invenção é formado a partir de uma forma de produto intermediária da liga, preferivelmente barra ou haste redonda. A forma intermediária é usinada até o tamanho de diâmetro desejado e, se necessário, depois retificada. Depois, as formas usinadas são cortadas até o comprimento apropriado para o eixo motor da seção de transmissão de um motor de lama. Os eixos são então endurecidos e temperados tal como se descreveu acima.[0029] The drive shaft (or drive shaft) of the slurry motor according to the present invention is formed from an intermediate product shape of the alloy, preferably bar or round rod. The intermediate form is machined to the desired diameter size and, if necessary, then ground. The machined shapes are then cut to the proper length for the drive shaft of the drive section of a mud engine. The shafts are then hardened and tempered as described above.
[0030] Considera-se que a liga desta invenção também pode ser útil para outros componentes de perfuração incluindo eixos flexíveis, mandris para choques de perfuração, ferramentas de choque, e outras ferramentas para perfuração de poços de petróleo que requeiram uma combinação de elevado limite convencional de elasticidade e boa tenacidade de impacto.[0030] It is considered that the alloy of this invention may also be useful for other drilling components including flexible shafts, shock drill chucks, shock tools, and other oil well drilling tools that require a high-limit combination conventional elasticity and good impact toughness.
[0031] A fim de demonstrar a combinação de propriedades providas pela liga desta invenção duas cargas de VIM de 15,9 kg (35 libras) foram fundidas e vazadas. As cargas foram forjadas em barras de 4,03 cm2(0,625 polegada2) e depois em tração longitudinal padrão, impacto CVN transversal longo (L-T) padrão, corpos de prova de fadiga longitudinal padrão, e cubos padronizados para teste de dureza de Rockwell. A Tabela I contém análises químicas finais em porcentagens em peso para as duas cargas experimentais. Tabela I [0031] In order to demonstrate the combination of properties provided by the alloy of this invention two 15.9 kg (35 pounds) VIM charges were cast and cast. Loads were forged into 4.03 cm2 (0.625 inch2) bars and then into standard longitudinal tensile, standard long transverse (LT) impact, standard longitudinal fatigue specimens, and standardized cubes for Rockwell hardness testing. Table I contains final chemical analyzes in percentages by weight for the two experimental loads. Table I
[0032] Executou-se um estudo de tratamento térmico em amostras de teste retiradas da Carga n° 2647. Corpos de provas de CVN IE duplicadas e de tração duplicadas foram preparadas do lingote de liga e dados os nove tratamentos térmicos (H.T.) mostrados na Tabela II abaixo. As amostras de teste sofreram austenização num alto-forno de leito fluidizado durante 1,5 horas nas temperaturas indicadas. Depois, os corpos de prova foram resfriados rapidamente em óleo a partir da temperatura de austenização até temperatura ambiente, temperados por 2 horas nas temperaturas indicadas, e depois resfriados em ar a partir da temperatura de temperado até temperatura ambiente. Os resultados mostrados na Tabela II incluem o limite convencional de elasticidade (Y.S.) com desvio de 0,2 % e o limite de resistência à tração (U.T.S.) em ksi (MPa), a porcentagem de alongamento (% El.), a porcentagem de redução em área (% R.A.), a energia de impacto de entalhe em forma de V para ensaio de Charpy (CVN) em pé-libra (J), e a dureza média de escala C de Rockwell (HRC) para cada amostra testada. Para cada tratamento térmico relatou-se também as propriedades médias de CVN e tração. O teste de CVN IE foi executado de acordo com o procedimento de teste padronizado de ASTM E2312C. Tabela II [0032] A heat treatment study was performed on test samples taken from Charge No. 2647. Duplicate CVN IE and duplicate tensile specimens were prepared from the alloy ingot and given the nine heat treatments (HT) shown in Table II below. The test samples were austenized in a fluid bed blast furnace for 1.5 hours at the indicated temperatures. Then, the specimens were rapidly cooled in oil from austenization temperature to room temperature, annealed for 2 hours at the indicated temperatures, and then cooled in air from annealing temperature to room temperature. The results shown in Table II include the conventional yield strength (YS) with a deviation of 0.2% and the tensile strength limit (UTS) in ksi (MPa), the elongation percentage (%El.), the percentage of reduction in area (% RA), the V-shaped notch impact energy for Charpy testing (CVN) in foot-pound (J), and the Rockwell C scale mean hardness (HRC) for each sample tested . For each heat treatment, the average properties of CVN and traction were also reported. The CVN IE test was performed in accordance with the ASTM E2312C standardized test procedure. Table II
[0033] Uma consideração importante para qualquer aço de alta resistência é se ele exibe uma temperatura de transição dúctil a frágil (DBTT). Uma vez que a perfuração de petróleo e gás pode ser executada em áreas geográficas que variam amplamente em temperatura, a DBTT da liga para o eixo de transmissão de motor de lama é particularmente daquela aplicação. Portanto, amostras de CVN adicionais das Cargas 2647 e 2648 foram testadas para avaliar a energia de impacto CVN em temperaturas variando de -40,0°C (-40°F) a 65,6°C (150°F). A Tabela III abaixo mostra os resultados incluindo o número da carga para cada amostra de teste, a temperatura de teste em °C (°F) (Temp.) e a CVN IE em J (pé-libra) (CVN). Os resultados aparecem na forma de gráfico na Figura 2. Tabela III [0033] An important consideration for any high strength steel is whether it exhibits a ductile to brittle transition temperature (DBTT). Since oil and gas drilling can be performed in geographic areas that vary widely in temperature, the alloy DBTT for the mud engine driveshaft is particularly of that application. Therefore, additional CVN samples from Charges 2647 and 2648 were tested to assess the CVN impact energy at temperatures ranging from -40.0°C (-40°F) to 65.6°C (150°F). Table III below shows the results including the load number for each test sample, the test temperature in °C (°F) (Temp.) and the CVN IE in J (pound feet) (CVN). The results are shown in graph form in Figure 2. Table III
[0034] Os dados apresentados na Tabela III e Figura 2 mostram que a liga desta invenção tem não tem essencialmente nenhuma temperatura de transição dúctil a frágil em toda a faixa de temperaturas testada. Isto significa que a boa tenacidade provida pela liga desta invenção é provida por toda uma ampla faixa de temperaturas.[0034] The data presented in Table III and Figure 2 show that the alloy of this invention has essentially no ductile to brittle transition temperature over the entire temperature range tested. This means that the good toughness provided by the alloy of this invention is provided over a wide range of temperatures.
[0035] A fim de demonstrar a duração de fadiga provida pela liga de acordo com a presente invenção, executou-se o teste de fadiga por flexão rotativa de R.R. Moore nos corpos de prova de fadiga. Antes do teste, os corpos de prova de fadiga foram endurecidos e temperados usando o tratamento térmico-C descrito acima. A Tabela IV abaixo mostra os resultados do teste de fadiga por flexão rotativa incluindo a tensão aplicada (Tensão) em MPI (ksi) e o número de ciclos (Ciclos) até o corpo de prova sofrer fratura. Os dados aparecem na forma de gráfico na Figura 3. Tabela IV [0035] In order to demonstrate the fatigue duration provided by the alloy according to the present invention, the RR Moore rotational bending fatigue test was performed on the fatigue specimens. Prior to testing, the fatigue specimens were hardened and tempered using the C-heat treatment described above. Table IV below shows the results of the rotational bending fatigue test including the applied stress (Stress) in MPI (ksi) and the number of cycles (Cycles) until the specimen fractures. The data appear in graph form in Figure 3. Table IV
[0036] Os termos e expressões que se empregam neste relatório descritivo são usados como termos de descrição e não de limitação. Não há nenhuma intenção no uso de tais termos e expressões de excluir quaisquer equivalentes das características mostradas e descritas ou porções das mesmas. Reconhece-se que várias modificações são possíveis dentro da invenção aqui descrita e reivindicada.[0036] The terms and expressions used in this descriptive report are used as descriptive and not limiting terms. There is no intention in the use of such terms and expressions to exclude any equivalents of the shown and described features or portions thereof. It is recognized that various modifications are possible within the invention described and claimed herein.
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